在Rust编程语言中,所有权(Ownership)是一个核心概念,它帮助Rust在编译时管理内存,确保内存安全且无需垃圾回收机制。所有权规则主要有以下几点:
在Rust中,每一个值在某一时刻都有且仅有一个所有者。
所有者是一个变量,该变量在作用域结束时释放其所拥有的值。
当一个值被赋给一个新变量时,该值会被移动,其所有权会从旧变量转移到新变量。
这意味着旧变量在赋值后将不再拥有该值,尝试使用它会导致编译错误。
fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;
// 此处 s1 已经失效,避免二次释放内存
println!("{}", s1);
}
当所有者变量离开其作用域时,Rust会自动释放其所拥有的内存。
作用域是由大括号{}定义的代码块。所有权被移动示例 :
fn main() {
let s1 = String::from("Hello");
let len:i32 = s_len(s1);
// 此处 s1 所有权已经被移动了,不能再使用
println!("The length of {} is {}",s1,len);
}
fn s_len(s:String)->i32{
s.len() as i32
}
利用引用保持所有权的示例 :
fn main() {
let s1 = String::from("Hello");
let len:i32 = s_len(&s1);
println!("The length of {} is {}",s1,len);
}
fn s_len(s:&String)->i32{
s.len() as i32
}
如果仅仅支持通过转移所有权的方式获取一个值,那会让程序变得复杂。 Rust 能否像其它编程语言一样,使用某个变量的指针或者引用呢?答案是可以。
Rust 通过 借用(Borrowing) 这个概念来达成上述的目的,获取变量的引用,称之为借用(borrowing)。正如现实生活中,如果一个人拥有某样东西,你可以从他那里借来,当使用完毕后,也必须要物归原主。
引用与解引用
常规引用是一个指针类型,指向了对象存储的内存地址。在下面代码中,我们创建一个 i32 值的引用 y,然后使用解引用运算符来解出 y 所使用的值:
fn main() {
let x = 5;
let y = &x;
assert_eq!(5, x);
assert_eq!(5, *y);
}
变量 x 存放了一个 i32 值 5。y 是 x 的一个引用。可以断言 x 等于 5。
然而,如果希望对 y 的值做出断言,必须使用 *y 来解出引用所指向的值(也就是解引用)。
一旦解引用了 y,就可以访问 y 所指向的整型值并可以与 5 做比较。
相反如果尝试编写 assert_eq!(5, y);,则会得到如下编译错误:
error[E0277]: can't compare `{integer}` with `&{integer}`
--> src/main.rs:6:5
|
6 | assert_eq!(5, y);
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^ no implementation for `{integer} == &{integer}` // 无法比较整数类型和引用类型
|
= help: the trait `std::cmp::PartialEq<&{integer}>` is not implemented for
`{integer}`
不允许比较整数与引用,因为它们是不同的类型。必须使用解引用运算符解出引用所指向的值。
不可变引用
下面的代码,我们用 s1 的引用作为参数传递给 calculate_length 函数,而不是把 s1 的所有权转移给该函数:
fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let len = calculate_length(&s1);
println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}
fn calculate_length(s: &String) -> usize {
s.len()
}
能注意到两点:
无需像上章一样:先通过函数参数传入所有权,然后再通过函数返回来传出所有权,代码更加简洁
calculate_length 的参数 s 类型从 String 变为 &String
这里,& 符号即是引用,它们允许你使用值,但是不获取所有权。
同理,函数 calculate_length 使用 & 来表明参数 s 的类型是一个引用:
fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s 是对 String 的引用
s.len()
} // 这里,s 离开了作用域。但因为它并不拥有引用值的所有权,
可变引用
我们来看下面的示例 :
fn main() {
let s = String::from("hello");
change(&s);
}
fn change(some_string: &String) {
some_string.push_str(", world");
}
上面的代码是错误的:
首先 s 不是一个可变变量,我们进行修改:
let mut s: String = String::from("hello");
依据存在错误 : &s 不是一个可变引用,我们将其声明为可变引用 :
fn main() {
let mut s: String = String::from("hello");
change(&mut s);
println!("{}", s);
}
fn change(some_string: &mut String) {
some_string.push_str(", world");
}
通过 &mut 语法可以将一个引用升级为可变引用,实现修改变量值的目的。
可变引用与不可变引用不能同时存在
下面的代码会导致一个错误:
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s; // 没问题
let r2 = &s; // 没问题
let r3 = &mut s; // 大问题
println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
错误如下:
error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
// 无法借用可变 `s` 因为它已经被借用了不可变
--> src/main.rs:6:14 |
4 | let r1 = &s; // 没问题
| -- immutable borrow occurs here 不可变借用发生在这里
5 | let r2 = &s; // 没问题
6 | let r3 = &mut s; // 大问题
| ^^^^^^ mutable borrow occurs here 可变借用发生在这里
7 |
8 | println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
| -- immutable borrow later used here 不可变借用在这里使用
其实这个也很好理解,正在借用不可变引用的用户,肯定不希望他借用的东西,被另外一个人莫名其妙改变了。
多个不可变借用被允许是因为没有人会去试图修改数据,每个人都只读这一份数据而不做修改,因此不用担心数据被污染。
注意:
引用的作用域 s 从创建开始,一直持续到它最后一次使用的地方,这个跟变量的作用域有所不同,变量的作用域从创建持续到某一个花括号 }
Rust通过所有权系统确保不会有悬挂引用,即不会有指向已经被释放的内存的引用。
一旦所有者变量离开其作用域,其所拥有的值会被立即释放,任何指向该值的引用都会变得无效。
悬垂引用也叫做悬垂指针,意思为指针指向某个值后,这个值被释放掉了,而指针仍然存在,其指向的内存可能不存在任何值或已被其它变量重新使用。在 Rust 中编译器可以确保引用永远也不会变成悬垂状态:当你获取数据的引用后,编译器可以确保数据不会在引用结束前被释放,要想释放数据,必须先停止其引用的使用。
让我们尝试创建一个悬垂引用,Rust 会抛出一个编译时错误:
fn main() {
let reference_to_nothing = dangle();
}
fn dangle() -> &String {
let s = String::from("hello");
&s
}
这里是错误:
error[E0106]: missing lifetime specifier
--> src/main.rs:5:16
|
5 | fn dangle() -> &String {
| ^ expected named lifetime parameter
|
= help: this function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from
help: consider using the `'static` lifetime
|
5 | fn dangle() -> &'static String {
| ~~~~~~~~
错误信息引用了一个我们还未介绍的功能:生命周期(lifetimes)。不过,即使你不理解生命周期,也可以通过错误信息知道这段代码错误的关键信息:
该函数返回了一个借用的值,但是已经找不到它所借用值的来源
仔细看看 dangle 代码的每一步到底发生了什么:
fn dangle() -> &String { // dangle 返回一个字符串的引用
let s = String::from("hello"); // s 是一个新字符串
&s // 返回字符串 s 的引用
} // 这里 s 离开作用域并被丢弃。其内存被释放。
// 危险!
因为 s 是在 dangle 函数内创建的,当 dangle 的代码执行完毕后,s 将被释放,但是此时我们又尝试去返回它的引用。这意味着这个引用会指向一个无效的 String,这可不对!
其中一个很好的解决方法是直接返回 String:
fn no_dangle() -> String {
let s = String::from("hello");
s
}
这样就没有任何错误了,最终 String 的 所有权被转移给外面的调用者。
Rust中的某些类型实现了Copy trait,这些类型在赋值时会被复制而不是移动。
例如,基本数据类型(如整数和浮点数)和小型结构体通常实现了Copy trait。
对于没有实现Copy trait的类型(如大多数集合类型和字符串),赋值会导致值的移动。
fn main() {
let x = 5;
let y = 10;
// 整数类型是固定长度的,并且编译器知道它们占用多少空间。
// 可以将数据完整的存储在栈上,而不必分配在堆上。
// 对应类似的变量类型 rust 实现了 Copy trait ,可以复制
// 标量类型都实现了 Copy trait ,所以不需要手动实现
// 赋值操作符是等号,而不是箭头
println!("The value of x is: {}", x);
println!("The value of y is: {}", y);
}
通过所有权系统,Rust能够在编译时捕获许多常见的内存错误,如使用悬挂指针和解引用空指针,从而提高了程序的稳定性和安全性。
总的来说,借用规则如下:
同一时刻,你只能拥有要么一个可变引用,要么任意多个不可变引用,引用必须总是有效的。